CN112922961B - 基于多孔质节流单元的静压气浮单元及加工方法 - Google Patents

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Abstract

基于多孔质节流单元的静压气浮单元及加工方法，属于静压气浮领域。解决了小孔节流气浮单元缝隙通过能力差、存在涡流干扰及整体式多孔质气浮单元作为静压气浮工作面时结构强度低、存在脱落粉末污染环境的问题。本发明静压气浮单元包括气浮块和N个多孔质节流单元，气浮块下表面加工有N个镶嵌孔，N个镶嵌孔周向均匀分布；每个镶嵌孔内嵌入有一个多孔质节流单元，气浮块内部加工有供气通道，且供气通道与N个镶嵌孔连通；N个多孔质节流单元的下表面均沉入气浮块下表面，供气通道通过多孔质节流单元与外部连通。本发明主要用于实现静压气浮。

Description

基于多孔质节流单元的静压气浮单元及加工方法
技术领域
本发明属于静压气浮领域。
背景技术
静压气浮技术是一种广泛应用的气体润滑技术，能够实现两个相对运动部件的非接触、近零摩擦的相对运动，基于静压气浮技术的气浮单元在精密仪器等领域应用广泛。传统的静压气浮单元分为小孔节流的气浮单元和多孔质的气浮单元。
小孔节流的气浮单元垂直于工作平面加工小孔，气体通过小孔后在工作平面形成高压气膜，使气浮单元悬浮。受限于加工工艺和成本，小孔直径通常为亚毫米级，气体通过小孔的流阻低，小孔轴线于工作平面的垂直度也难以保证。流阻低导致气浮单元的小孔在通过气浮平台拼接的缝隙时，气膜迅速泄压，气浮单元失去承载能力；垂直度差导致气流通过小孔后存在平行工作平面的切向气流，形成涡流干扰，引起气浮单元旋转运动。
多孔质的气浮单元通过烧结工艺在材料内部形成纳米级别的孔隙，气体通过孔隙并在工作平面形成高压气膜。多孔质材料的孔隙很小而且数量极多，流阻大且带来均化效应，因此，多孔质静压气浮单元通过气浮平台拼接缝隙时几乎没有泄压，且涡流干扰很小。但是，整体采用多孔质材料加工成的气浮单元，成本高、烧结成型的材料结构强度低，具体为：多孔质的气浮单元一般采用烧结石墨或者烧结铍青铜，这两种材料容易加工成面积较大的材料，且可以研磨满足气浮单元所要求的平面度，但是这两种材料硬度低，存在脱落粉末污染环境问题，在精密仪器和净化环境应用中会污染环境，限制了其应用范围。亟待开发新的静压气浮单元解决上述问题。
发明内容
本发明目的是为了解决小孔节流气浮单元缝隙通过能力差、存在涡流干扰及整体式多孔质气浮单元作为静压气浮工作面时结构强度低，存在脱落粉末污染环境的问题。提供了一种基于多孔质节流单元的静压气浮单元及加工方法。
基于多孔质节流单元的静压气浮单元，包括气浮块1和N个多孔质节流单元2；N为大于或等于4的整数；
气浮块1上表面加工有球窝1-1和凸台1-2，且球窝1-1位于凸台1-2上；
气浮块1下表面加工有N个镶嵌孔1-3，N个镶嵌孔1-3周向均匀分布；
气浮块1内部加工有供气通道1-4，且供气通道1-4与N个镶嵌孔1-3连通；
每个镶嵌孔1-3内嵌入有一个多孔质节流单元2，且多孔质节流单元2的周向侧壁与其所在的镶嵌孔1-3的侧壁间密封；N个多孔质节流单元2的下表面均沉入气浮块1下表面，且每个多孔质节流单元2的下表面与气浮块1下表面间的间距为d；
供气通道1-4通过多孔质节流单元2与外部连通。
进一步的，供气通道1-4的进气口上安装有供气接口3，且供气接口3伸出至气浮块1外部。
更进一步的，气浮块1下表面的平面度小于5um。
更进一步的，0＜d≤0.1，d的单位为mm。
更进一步的，气浮块1为横向截面为方形的平板型块体。
更进一步的，气浮块1采用花岗岩或者金属材料制成。
基于多孔质节流单元的静压气浮单元的加工方法，该方法是基于气浮块1和N个多孔质节流单元2实现的，N为大于或等于4的整数；
该加工方法包括如下步骤：
步骤一、在气浮块1上表面加工有球窝1-1和凸台1-2，且球窝1-1位于凸台1-2上；
步骤二、在气浮块1下表面加工有N个镶嵌孔1-3，N个镶嵌孔1-3周向均匀分布，且镶嵌孔1-3的孔径与多孔质节流单元2相匹配；
再在气浮块1的侧壁上钻M个孔，使其所钻的孔在气浮块1内部形成连通的气腔，该连通的气腔作为气浮块1的供气通道1-4，且供气通道1-4与N个镶嵌孔1-3连通；M为大于或等于2的整数；
步骤三、对气浮块1下表面进行打磨，使其气浮块1下表面满足静压气浮工作的要求；
步骤四、将N个多孔质节流单元2分别镶嵌在N个镶嵌孔1-3内，通过密封材料对每个多孔质节流单元2的周向侧壁与该多孔质节流单元2所在的镶嵌孔1-3的侧壁间的间隙进行密封，使供气通道1-4通过多孔质节流单元2与外部连通；其中，N个多孔质节流单元2的下表面均沉入气浮块1下表面，且每个多孔质节流单元2的下表面与气浮块1下表面间的间距为d；
再将气浮块1的侧壁上所钻M个孔中的M-1个孔进行密封，剩余的一个孔作为供气通道1-4的进气口，从而完成对基于多孔质节流单元的静压气浮单元的加工。
进一步的，供气通道1-4的进气口上安装有供气接口3，且供气接口3伸出至气浮块1外部。
更进一步的，步骤四中，对每个多孔质节流单元2的周向侧壁与该多孔质节流单元2所在的镶嵌孔1-3的侧壁间的间隙进行密封的材料为密封胶。
更进一步的，步骤四中，通过封气堵4对气浮块1的侧壁上所钻M个孔中的M-1个孔进行密封。
本发明带来的有益效果是：多孔质节流单元2嵌入在镶嵌孔1-3内，供气通道1-4与N个镶嵌孔1-3连通，且供气通道1-4通过多孔质节流单元2与外部连通，这样整体上零部件少，使得基于多孔质节流单元的静压气浮单元结构紧凑。
一方面，多孔质节流单元2镶嵌在气浮块1里面，不与外界接触，损耗小不存在粉末脱落问题，同时，多孔质节流单元2面积占比气浮块1下表面面积大大减小，静压气浮单元整体结构上几乎都是气浮块1，使得基于多孔质节流单元的静压气浮单元整体结构强度得以提高，也不存在粉末脱落问题；更进一步的，本发明多孔质节流单元2结构面积小，可采用烧结陶瓷或者烧结不锈钢实现，这两材料硬度、结构强度大，不存在粉末脱落问题，但是烧结陶瓷或者烧结不锈钢等难以成型大面积结构的材料，只可制备小体积结构。
另一方面，N个多孔质节流单元2的下表面均沉入气浮块1下表面，气浮块1下表面为静压气浮工作面，多孔质节流单元2由于其沉入气浮块1下表面，表面并不是工作面，无需进行研磨精加工，不存在粉末脱落污染环境的问题，也可采用结构强度高的材质制备多孔质节流单元2，进一步减少粉末脱落。
第三方面、在多孔质节流单元2通过气浮平台的拼接缝隙时，由于多孔质节流单元2的孔很小，流阻大，同时多孔质节流单元2只有很小的局部位于气浮平台的拼接缝隙上，因此，不会整体泄压，气浮单元的保压能力强、缝隙通过能力强。多孔质节流单元2上的微孔分布式布局，气流通过微孔后由于均化作用，涡流干扰小。
本发明基于多孔质节流单元的静压气浮单元相对整体式节流静压气浮单元，所使用得多孔质节流尺寸大幅度减小，加工难度大幅度降低，同时整个静压气浮单元结构强度明显提升，静压气浮单元的成本低。本发明解决了小孔节流气浮单元的缝隙通过能力差和存在涡流干扰的问题，也解决了整体式多孔质气浮单元成本高、粉末脱落污染环境的问题。
本发明基于多孔质节流单元的静压气浮单元加工方法，操作简单、便于实现。
附图说明
图1是本发明所述基于多孔质节流单元的静压气浮单元的主视图；
图2是图1的俯视图；
图3是图2的仰视图；
图4是本发明所述基于多孔质节流单元的静压气浮单元的三维结构的透视图；
图5是气浮块1的主视图的透视图；
图6是气浮块1的俯视图的透视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参见图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述的基于多孔质节流单元的静压气浮单元，包括气浮块1和N个多孔质节流单元2；N为大于或等于4的整数；
气浮块1上表面加工有球窝1-1和凸台1-2，且球窝1-1位于凸台1-2上；
气浮块1下表面加工有N个镶嵌孔1-3，N个镶嵌孔1-3周向均匀分布；
气浮块1内部加工有供气通道1-4，且供气通道1-4与N个镶嵌孔1-3连通；
每个镶嵌孔1-3内嵌入有一个多孔质节流单元2，且多孔质节流单元2的周向侧壁与其所在的镶嵌孔1-3的侧壁间密封；N个多孔质节流单元2的下表面均沉入气浮块1下表面，且每个多孔质节流单元2的下表面与气浮块1下表面间的间距为d；
供气通道1-4通过多孔质节流单元2与外部连通。
本实施方式中，多孔质节流单元2的结构为现有技术，其表面设有多个通孔，多孔质节流单元2嵌入在镶嵌孔1-3内，供气通道1-4与N个镶嵌孔1-3连通，且供气通道1-4通过多孔质节流单元2与外部连通，这样整体上零部件少，使得基于多孔质节流单元的静压气浮单元结构紧凑。
同时，多孔质节流单元2镶嵌在气浮块1里面，本身面积大大减小，使得基于多孔质节流单元的静压气浮单元整体结构强度得以提高，且N个多孔质节流单元2的下表面均沉入气浮块1下表面，气浮块1下表面为静压气浮工作面，多孔质节流单元2表面并不是工作面，不需要精密研磨，因此，不存在粉末脱落污染，进一步的，本发明多孔质节流单元2结构面积小，可采用烧结陶瓷或者烧结不锈钢实现，这两材料硬度、结构强度大，不存在粉末脱落问题，但是烧结陶瓷或者烧结不锈钢等难以成型大面积结构的材料，只可制备小体积结构。
本发明相对于小孔节流的气浮单元，由于，多孔质节流单元2的流阻大，通过缝隙的时候不会迅速泄压，也不存在涡流干扰，因此，缝隙通过能力强。
进一步的，具体参见图1至图4，供气通道1-4的进气口上安装有供气接口3，且供气接口3伸出至气浮块1外部。
更进一步的，具体参见图1至图4，气浮块1下表面的平面度小于5um。
更进一步的，0＜d≤0.1，d的单位为mm。
更进一步的，具体参见图1至图6，气浮块1为横向截面为方形的平板型块体。
更进一步的，气浮块1采用花岗岩或者金属材料制成。
参见图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述的基于多孔质节流单元的静压气浮单元的加工方法，该方法是基于气浮块1和N个多孔质节流单元2实现的，N为大于或等于4的整数；
该加工方法包括如下步骤：
步骤一、在气浮块1上表面加工有球窝1-1和凸台1-2，且球窝1-1位于凸台1-2上；
步骤二、在气浮块1下表面加工有N个镶嵌孔1-3，N个镶嵌孔1-3周向均匀分布，且镶嵌孔1-3的孔径与多孔质节流单元2相匹配；
再在气浮块1的侧壁上钻M个孔，使其所钻的孔在气浮块1内部形成连通的气腔，该连通的气腔作为气浮块1的供气通道1-4，且供气通道1-4与N个镶嵌孔1-3连通；M为大于或等于2的整数；
步骤三、对气浮块1下表面进行打磨，使其气浮块1下表面满足静压气浮工作的要求；
步骤四、将N个多孔质节流单元2分别镶嵌在N个镶嵌孔1-3内，通过密封材料对每个多孔质节流单元2的周向侧壁与该多孔质节流单元2所在的镶嵌孔1-3的侧壁间的间隙进行密封，使供气通道1-4通过多孔质节流单元2与外部连通；其中，N个多孔质节流单元2的下表面均沉入气浮块1下表面，且每个多孔质节流单元2的下表面与气浮块1下表面间的间距为d；
再将气浮块1的侧壁上所钻M个孔中的M-1个孔进行密封，剩余的一个孔作为供气通道1-4的进气口，从而完成对基于多孔质节流单元的静压气浮单元的加工。
本实施方式所述的基于多孔质节流单元的静压气浮单元加工方法，操作简单、便于实现。多孔质节流单元2的结构为现有技术，其表面设有多个通孔，多孔质节流单元2嵌入在镶嵌孔1-3内，供气通道1-4与N个镶嵌孔1-3连通，且供气通道1-4通过多孔质节流单元2与外部连通，这样整体上零部件少，使得基于多孔质节流单元的静压气浮单元结构紧凑。气浮块1侧面钻孔使内部形成连通的气腔，并利用所钻的孔安装供气接口1，并在不需要的孔位置进行密封；
同时，多孔质节流单元2镶嵌在气浮块1里面，本身面积大大减小，且气浮块1下表面为静压气浮工作面，多孔质节流单元2表面并不是工作面，以及多孔质节流单元2加工过程中表面也无需精密研磨，因此，可以采用高硬度难加工难以成型大面积的烧结陶瓷或者烧结不锈钢等材料，不存在粉末脱落问题。
更进一步的，参见图1至图3，加工方法中供气通道1-4的进气口上安装有供气接口3，且供气接口3伸出至气浮块1外部。
更进一步的，参见图1至图3，步骤四中，对每个多孔质节流单元2的周向侧壁与该多孔质节流单元2所在的镶嵌孔1-3的侧壁间的间隙进行密封的材料为密封胶。
更进一步的，参见图1至图3，步骤四中，通过封气堵4对气浮块1的侧壁上所钻M个孔中的M-1个孔进行密封。
更进一步的，加工方法中，气浮块1下表面的平面度小于5um。
更进一步的，加工方法中，0＜d≤0.1，d的单位为mm。
原理说明：
具体使用时，供气通道1-4内供入压缩空气、氮气等气体，一般供气压力为0.3-0.8MPa。在多孔质节流单元2通过气浮平台的拼接缝隙时，由于多孔质节流单元2的孔很小，流阻大，同时多孔质节流单元2只有很小的局部位于气浮平台的拼接缝隙上，因此，不会整体泄压，气浮单元的保压能力强、缝隙通过能力强。多孔质节流单元2上的微孔分布式布局，气流通过微孔后由于均化作用，涡流干扰小。本发明基于多孔质节流单元的静压气浮单元相对整体式节流静压气浮单元，所使用得多孔质节流尺寸大幅度减小，加工难度大幅度降低，同时整个静压气浮单元结构强度明显提升，静压气浮单元的成本低。本发明解决了小孔节流气浮单元的缝隙通过能力差和存在涡流干扰的问题，也解决了整体式多孔质气浮单元成本高、粉末脱落污染环境的问题。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.基于多孔质节流单元的静压气浮单元的加工方法，该方法是基于气浮块(1)和N个多孔质节流单元(2)实现的，N为大于或等于4的整数；
其特征在于，该加工方法包括如下步骤：
步骤一、在气浮块(1)上表面加工有球窝(1-1)和凸台(1-2)，且球窝(1-1)位于凸台(1-2)上；
步骤二、在气浮块(1)下表面加工有N个镶嵌孔(1-3)，N个镶嵌孔(1-3)周向均匀分布，且镶嵌孔(1-3)的孔径与多孔质节流单元(2)相匹配；
再在气浮块(1)的侧壁上钻M个孔，使其所钻的孔在气浮块(1)内部形成连通的气腔，该连通的气腔作为气浮块(1)的供气通道(1-4)，且供气通道(1-4)与N个镶嵌孔(1-3)连通；M为大于或等于2的整数；
步骤三、对气浮块(1)下表面进行打磨，使其气浮块(1)下表面满足静压气浮工作的要求；
步骤四、将N个多孔质节流单元(2)分别镶嵌在N个镶嵌孔(1-3)内，通过密封材料对每个多孔质节流单元(2)的周向侧壁与该多孔质节流单元(2)所在的镶嵌孔(1-3)的侧壁间的间隙进行密封，使供气通道(1-4)通过多孔质节流单元(2)与外部连通；其中，N个多孔质节流单元(2)的下表面均沉入气浮块(1)下表面，且每个多孔质节流单元(2)的下表面与气浮块(1)下表面间的间距为d；
再将气浮块(1)的侧壁上所钻M个孔中的M-1个孔进行密封，剩余的一个孔作为供气通道(1-4)的进气口，从而完成对基于多孔质节流单元的静压气浮单元的加工。
2.根据权利要求1所述的基于多孔质节流单元的静压气浮单元的加工方法，其特征在于，供气通道(1-4)的进气口上安装有供气接口(3)，且供气接口(3)伸出至气浮块(1)外部。
3.根据权利要求1所述的基于多孔质节流单元的静压气浮单元的加工方法，其特征在于，步骤四中，对每个多孔质节流单元(2)的周向侧壁与该多孔质节流单元(2)所在的镶嵌孔(1-3)的侧壁间的间隙进行密封的材料为密封胶。
4.根据权利要求1所述的基于多孔质节流单元的静压气浮单元的加工方法，其特征在于，步骤四中，通过封气堵(4)对气浮块(1)的侧壁上所钻M个孔中的M-1个孔进行密封。
5.根据权利要求1所述的基于多孔质节流单元的静压气浮单元的加工方法，其特征在于，气浮块(1)下表面的平面度小于5um。
6.根据权利要求1所述的基于多孔质节流单元的静压气浮单元的加工方法，其特征在于，0＜d≤0.1，d的单位为mm。
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